Spray dryer

Lo spray dryer è il processo industriale (Figura 1.21) più diffuso per la formazione e l'essiccazione di particelle. È ideale per la produzione continua di solidi secchi in polvere, granulato o particelle agglomerate per formare materiale di alimentazione liquido. Il materiale di alimentazione può includere soluzioni,

Conclusioni

emulsioni e sospensioni pompabili. Si tratta della tecnologia più indicata quando il prodotto finale deve soddisfare precisi standard qualitativi In termini di distribuzione granulometrica, umidità residua, densità relativa e morfologia delle particelle.

Il processo inizia con l'atomizzazione di un materiale liquido in una nebulizzazione di gocce. Le gocce vengono quindi a contatto con aria calda in una camera di essiccazione. La nebulizzazione avviene tramite atomizzatori a turbina (girante) o a ugello di diversi tipi. L'evaporazione dell'umidità dalle gocce e la formazione delle particelle secche avviene in condizioni di temperatura e flusso d'aria controllate, mentre la polvere viene continuamente scaricata dalla camera di essiccazione e recuperata dai gas di scarico utilizzando un ciclone o un filtro a maniche. L'intero processo generalmente non richiede più di qualche secondo. Ogni essiccatore è costituito da:

 una pompa di alimentazione  un atomizzatore

 un riscaldatore dell'aria  un dispersore dell'aria  una camera di essiccazione

 sistemi per il recupero delle polveri  sistemi per la pulizia dell'aria esausta  sistemi di controllo di processo

Scopo

41

2 SCOPO

Le biomasse vegetali costituiscono una fonte rilevante di secondary chemical building blocks attualmente non pienamente sfruttata. Il recupero delle diverse componenti può costituire una valida via di valorizzazione per l’ottenimento di materie prime a basso costo, ma ad alto valore aggiunto da inserire come prodotti in diversi settori dell’industria come quello cosmetico, farmaceutico, alimentare, nutraceutico, e non ultimo quello della chimica di sintesi. Grazie all’utilizzo di enzimi (es: cellulasi, amilasi, pectinasi, polifenolossidasi, arilesterasi, ecc), aventi diverse attività sfruttate in sequenza e/o simultaneamente, è possibile idrolizzare le strutture che legano e/o imprigionano il pool di composti chimici che compongono il fitocomplesso attivo. I biocatalizzatori enzimatici sono sempre più largamente impiegati in molti settori dell’industria chimico-farmaceutica e della e trasformazioni agroalimentari a causa della loro intrinseca regio e stereo- selettività, nonché per il loro potenziale come efficienti catalizzatori alternativi per la chimica verde.

Il crescente interesse verso l’utilizzo di enzimi industriali, applicati a processi di valorizzazione chimica ed energetica delle biomasse, richiede lo sviluppo di nuovi sistemi per la produzione di specifiche attività enzimatiche a basso costo. Lo scopo di questo lavoro riguarda la produzione di enzimi lignocellulolitici mediante la crescita in fermentatore in stato solido di Pleurotus ostreatus su diversi substrati composti dai sottoprodotti di provenienza agroalimentare del settore cerealicolo e viti-vinicolo.

La matrice lignocellulosica, che caratterizza la struttura vegetale di sottoprodotti agroalimentari, rappresenta un substrato a basso costo adatto per la crescita di funghi “white-rot” tramite un sistema di fermentazione in stato solido (SSF). La SSF ha mostrato negli ultimi anni un crescente interesse per i potenziali vantaggi in termini energetici e di controllo dei parametri di crescita rispetto alla fermentazione in stato sommerso.

Il disegno del bioreattore in laboratorio rappresenta uno step limitante per il processo di fermentazione in stato solido. In questo lavoro si intendono sviluppare diverse tipologie di fermentatori a stato solido:

Scopo

- Statico: biocella, in cui il substrato viene accumulato, inoculato con il fungo, rivoltato periodicamente e umidificato tramite aspersione di acqua in cui gli enzimi vengono recuperati attraverso il prelievo del percolato; colonna a letto impaccato, in cui il substrato e l’inoculo vengono impaccati insieme ad un supporto poroso e inerte, in una colonna da cui gli enzimi vengono recuperati tramite immissione periodica di acqua, circolazione del percolato all’interno del sistema mediante pompa peristaltica e successivo prelievo);

- Dinamico: biocella, in cui il substrato viene inoculato con il fungo, periodicamente viene effettuata l’estrusione della biomassa, il percolato viene recuperato, si umidifica la biomassa e questa ritorna all’interno della biocella per realizzare un nuovo ciclo fermentativo.

Il fungo Pleurotus ostreatus è stato scelto sia per la sua capacità di produrre enzimi esocellulari che per le sue caratteristiche di fungo commestibile, le quali garantisco sicurezza all’operatore evitando rischi durante la manipolazione e nell’ottica dello scale-up dell’impianto, riducono così i costi di una futura gestione industriale.

Si intende studiare le diverse condizioni operative dei bioreattori per controllando la crescita del corpo fruttifero e con l’intento di evitare la fase sporigena. Il design del bioreattore in stato solido sarà, quindi, sviluppato in modo da garantire sia la crescita del micelio a danni del substrato lignocellulosico che il recupero delle attività enzimatiche esocellulari rilasciate nel percolato.

Le principali attività enzimatiche verranno analizzate nel percolato di fermentazione raccolto, tra cui quelle: carboidrasiche (cellulasica, xilanasica e pectina), fenolossidasiche (laccasica e perossidasica) e arilesterasiche (feruloiesterasica e caffeoilesteraisca).

In seguito alla valutazione dei singoli substrati, verranno studiati anche gli effetti delle miscele di substrati nell’induzione della produzione enzimatica nelle SSF. Il fungo Agaricus bisporus, tipico fungo superiore ampiamente coltivato su scala industriale in quanto commestibile, produce anche un grande quantitativo di sottoprodotti costituiti dal gambo del fungo e delle lettiera di crescita che

Scopo

43 funghi superiori dei buoni produttori di enzimi esocellulari, si può immaginare che anche questi scarti possano contenere discrete quantità di enzimi accumulati nella matrice durante la fase fermentativa in stato solido statica. Questi sottoprodotti verranno quindi valutati per determinare la presenza di attività enzimatiche possibilmente recuperabili.

Gli estratti enzimatici ottenuti dalle fermentazioni, verranno utilizzati per determinare la possibilità di degradare un substrato in un processo di idrolisi enzimatica, con l’obbiettivo di valorizzare ulteriormente questi sottoprodotti utilizzandogli anche come matrice da cui estrarre diversi composti d’interesse. Infine, verranno valutati in modo preliminare alcuni processi legati alla concentrazione e conservazione degli enzimi prodotti, tramite la liofilizzazione e lo spray dryer.

Parte sperimentale

45

3 PARTE SPERIMENTALE

Il sistema di fermentazione in stato solido sta affermandosi come un importante processo tecnologico per la produzione di composti di origine microbica coinvolti nel settore energetico, alimentare, farmaceutico e nell’industria chimica.

Il processo di fermentazione in stato solido (SSF) è caratterizzato dalla crescita di microrganismi, tipicamente funghi, su materiale solido in assenza o quasi assenza di flusso libero di acqua. La natura dei materiali solidi usati in SSF può essere classificata in due categorie: inerte (materiali sintetici) e non inerte (materiali organici). Il substrato inerte funge da superficie di attacco per il fungo e da sistema di trattenimento delle porzioni solide, mentre la matrice vegetale costituisce la fonte di nutrienti e supporto di crescita, definita substrato di supporto. L’uso di sottoprodotti agroalimentari come substrato di supporto nei processi di SSF fornisce un percorso alternativo e di valore aggiunto per tali prodotti che altrimenti resterebbero non o sottosviluppati69. I processi di SSF possiedono caratteristiche che rendono tale sistema particolarmente adatto per la produzione di enzimi esocellulari di funghi filamentosi, riproducendo le condizioni naturali per lo sviluppo e le attività del microrganismo70.

Nello sviluppo del modello SSF, esistono una serie di importanti aspetti da tenere in considerazione per l’ottimizzazione del processo, tra cui un’adeguata selezione dei microrganismi e del substrato di crescita. La selezione del substrato per la produzione di enzimi esocellulari in un processo di SSF, dipende da una serie di fattori, soprattutto legati ai costi e alla disponibilità del substrato. Il substrato solido organico non solo fornisce i nutrienti per la crescita, ma riveste un ruolo fondamentale per l’ancoraggio della struttura del microrganismo71

.

Un'altra serie di fattori che influenzano la sintesi di enzimi da parte dei microrganismi in un sistema SSF includono: eventuale pretrattamento del substrato per migliorare la biodisponibilità agevolandone il contatto con il microrganismo attraverso il miglioramento dello spazio interparticellare e della superficie disponibile, del contenuto e dell’attività dell’acqua così come il controllo dei parametri operativi quali il valore del pH, l’umidità relativa, la tipologia e la dimensione dell’inoculo e anche i parametri di processo come il controllo della temperatura di fermentazione, il periodo di crescita della coltura, il

Parte sperimentale

mantenimento dell’uniformità nel sistema ambiente del bioreattore SSF e la composizione gassosa dell’atmosfera (tasso di consumo di ossigeno e produzione di CO2). Tra questi, la dimensione del substrato, il livello di umidità e l’attività dell’acqua sono i punti più critici per la messa a punto del sistema72

. Generalmente, la riduzione delle dimensioni del substrato forniscono una maggiore area superficiale per l’attacco microbico, rappresentando un notevole vantaggio per la crescita. Tuttavia, parti molto piccole di substrato potrebbero causare la formazione di aggregati solidi, riducendo la diffusione dell’ossigeno causando quindi una crescita microbica ridotta. Di contro, particelle di dimensione maggiore pur garantendo una migliore efficienza di respirazione ed aerazione (dovuta al maggiore spazio interparticellare), possiedono una limitata superficie per l’attacco microbico. Questo parametro necessita quindi di un compromesso nella selezione della dimensione delle particelle basato sulla specificità del processo.

La messa a punto dei parametri ottimali di processo è fondamentale per aumentare le rese di produzione nella fermentazione a stato solido.

3.1

Influenza della matrice vegetale sulla produzione di enzimi in